Annexe n° 3 : variations saisonnières de la durée du jour solaire ; équation du temps.
I : Les deux causes de la variation de durée du jour solaire.
Nous avons vu Partie II §2 que la durée du jour solaire fluctue autour de sa valeur moyenne (24h) en fonction de la saison. Il s'agit ici d'analyser les deux causes de cette variation.
I.1. Les variations saisonnières de la vitesse du soleil.
Je reproduis ci-contre la trajectoire du centre du soleil dans le référentiel géocentrique : il s'agit d'une ellipse dont le centre de la terre est un foyer (noté F) ; la période (durée d'un tour), notée T est égale à une année sidérale. Pour la clarté de la figure, l'excentricité est fortement augmentée par rapport à la réalité. On note S1, S2,…, S20 vingt positions successives du centre du soleil occupées aux dates respectives : t1, t2 = t1+T/20 , t3 = t2+T/20, t4 = t3 + T/20… La date : t1 correspond à un passage au périhélie. La durée entre deux positions successives est toujours la même : un vingtième de période. En traçant les segments (O S1), (O S2),...(0 S20), on divise la surface délimitée par l'ellipse en vingt secteurs. La loi des aires, énoncée par Képler, stipule que, dans la mesure où les durées des parcours successifs (S1S2), (S2S3)...(S19S20) sont égales, les aires des différents secteurs sont égales. Ainsi, l'aire du secteur délimité en rouge est égale à l'aire du secteur délimité en vert.
Conséquence de cette loi : Les distances (FS1) et (FS20) étant nettement inférieures aux distances (FS9) et (FS10) l'égalité des aires des deux secteurs « vert » et « rouge » n'est possible que parce que la distance parcourue par le centre du soleil de S9 à S10 est inférieure à celle parcourue de S20 à S1. Les durées de ces deux parcours étant égales la vitesse entre S9 et S10 est nécessairement inférieure à celle entre S20 et S1.
Ainsi, la vitesse du centre du soleil varie : elle est maximale au passage au périhélie (le 4 janvier : 1,019 degré par jour) et minimale au passage à l'aphélie (le 4 juillet : 0,953°/jour) pour une valeur moyenne de 0,986°/jour.
I.2. Influence de l'excentricité de la trajectoire du soleil sur la durée du jour solaire.
On peut reprendre le raisonnement fait (Partie II.3, remarque 2) en l'adaptant à la différence entre le jour solaire (durée Js) et le jour sidéral (durée Jst). En très bonne approximation, on peut considérer la différence (Js – Jst) comme la durée nécessaire au projeté M1 du méridien de référence sur la sphère céleste à tourner de l'angle , cet angle étant celui dont tourne le soleil en un jour sidéral.
Soit S La vitesse angulaire du soleil le jour considéré (les variations de S étant très lentes, on peut considérer cette grandeur comme pratiquement constante sur un jour) :
avec S en tour par heure et Jst en heures.
Soit M1 la vitesse de M1 en tour par heure. On obtient :
soit : .
L'écart par rapport au jour solaire moyen (Jm = 24h) vaut finalement :
.
Les éphémérides permettent le calcul de S . Les autres grandeurs de la formule ont déjà été évoquées. La courbe ci-dessous représente les variations au cours de l'année 2015 de l'écart (Js-Jm) exprimé en secondes. L'écart est maximum lorsque le soleil a sa vitesse maximale, c'est à dire le 4 janvier ; cet écart est minimum lorsque le soleil a sa vitesse minimale, c'est à dire le 4 juillet. Cet écart varie périodiquement : on retrouve le même écart lorsque le soleil retrouve une même position sur sa trajectoire. La période est donc égale à une année sidérale.
I.3. Influence de l'obliquité sur la durée du jour solaire.
La courbe précédente montre que l'écart (Js-Jm) dû à la seule variation de vitesse du soleil ne dépasse pas huit secondes. Or les mesures montrent que cet écart peut atteindre 30s. Il existe donc une autre cause aux variations de durée du jour solaire !
Remarque : le raisonnement que nous allons faire présente quelques similitudes avec celui sur l'influence de la précession des équinoxes sur le jour sidéral (Partie IV §3).
La figure de gauche correspond au centre du soleil (en jaune) passant par le point vernal : nous sommes à l'équinoxe de printemps. Dans son mouvement sur l'écliptique, la vitesse du soleil (représentée par la flèche rouge) a deux composantes : une composante d'est en ouest (représentée par la flèche bleue) et une composante orientée vers le nord
(représentée par la flèche verte).
L'existence de la composante vers le nord a une conséquence familière : à cette période de l'année, le soleil est de plus en plus haut sur l'horizon à heure fixe. Pour la détermination de l'heure et donc pour la durée du jour solaire, seule compte la composante d'est en ouest et celle-ci est au début printemps égale à seulement 91,75 % à la vitesse réelle du soleil.
La figure de droite correspond au solstice d'été (la partie « arrière » de l'écliptique n'est pas représentée). Dans ce cas particulier, la vitesse du soleil n'a pas de composante vers le nord ou le sud : la composante est-ouest de la vitesse du soleil représente 100 % de la vitesse réelle.
Entre le solstice d'été et le solstice d'hiver, le raisonnement est analogue, la flèche verte étant orientée vers le sud : à cette période de l'année, le soleil est de plus en plus bas sur l'horizon à heure fixe.
Conséquence, dans le calcul de l'écart (Js – Jm), il faut multiplier la vitesse du soleil par un terme correctif R :
.
R varie en fonction de la saison selon le tableau de variations ci-dessous :
Dates | Solstice d'hiver année A | | Équinoxe de printemps | | Solstice d'été | | Équinoxe d'automne | | Solstice d'hiver année A+1 |
variations | 1 | | | | 1 | | | | 1 |
de | | ➘ | | ↗ | | ➘ | | ↗ | |
R | | | 0,9275 | | | | 0,9275 | | |
Ainsi R varie périodiquement avec une période d'une demie année tropique. Puisque (Js – Jm) augmente avec R,
la contribution de l'obliquité à l'écart (Js – Jm) varie suivant un tableau de variation analogue. Cette contribution correspond à la courbe rouge.
Ainsi R varie périodiquement avec une période d'une demie année tropique. Puisque (Js – Jm) augmente avec R, la contribution de l'obliquité à l'écart (Js – Jm) varie suivant un tableau de variation analogue. Cette contribution correspond à la courbe rouge. L'écart total correspond à la courbe jaune. Cet écart est maximum vers le 22 décembre : cette date correspond à un maximum de R et à une valeur élevée de S car le soleil est proche du périhélie (atteint le 4 janvier).
Remarque : l'écart total (Jm-Js) ne varie pas de façon rigoureusement périodique dans la mesure où il fait intervenir des phénomènes de périodes différentes : année sidérale d'une part, demie année tropique d'autre part. De plus ces périodes ne sont pas égales à la durée moyenne de l'année civile. Ainsi, les maximums et minimums ne seront pas obtenus les mêmes jours du calendrier selon l'année étudiée. Cependant, année tropique, année sidérale et année civile moyenne ont des durées très proches : les modifications des courbes ci-dessus, d'une année à l'autre sont très faibles…
II : Équation du temps.
Nous savons que l'heure solaire dépend de la latitude. Nous allons donc d'abord faire notre étude en plaçant l’observateur terrestre le long du méridien de Greenwich. Nous verrons ensuite les corrections à apporter pour des latitudes différentes.
II.1. Définition de l'équation du temps.
Remarque préliminaire : le mot « équation » n'a pas ici son acception usuelle mais plutôt celle plus ancienne de « terme correctif » à apporter à une grandeur.
Avant la généralisation des montres, alors que les cadrans solaires étaient nombreux, l'équation du temps (notée Et) a été définie la durée qu'il faut ajouter à l'heure lue sur un cadran solaire (heure solaire vraie : Hsv) pour avoir l'heure solaire moyenne Hsm (heure solaire moyenne : heure légale moins une heure ou moins deux heures l'été) :
Hsm = Hsv + Et soit Et = Hsm – Hsv.
D'ailleurs, la courbe annuelle d'équation du temps était souvent exposée (souvent sous forme d'analemme) à côté du cadran.
L’équation du temps est une grandeur algébrique. Supposons Et > 0 : à Hsm = 12h, le cadran solaire indique une heure Hsv inférieure ; il n'est pas encore midi solaire vrai ; le soleil réel est en retard sur le soleil fictif moyen. Inversement, une valeur négative de Et correspond à un soleil en avance sur le soleil moyen.
Cette définition est toujours celle adoptée en France (les anglo-saxons adoptent la convention de signe opposé).
Dans ces conditions, l'équation du temps apparaît comme le cumul des écarts (Js-Jm) au fil du temps. Bien sûr, cet écart cumulé ne croît pas infiniment puisque la valeur moyenne de (Js – Jm) est nulle, par définition même de la valeur moyenne.
L'équation du temps ainsi que les coordonnées des planètes du système solaires peuvent être obtenus à l'adresse suivante : http://pgj.astro.free.fr/position-planetes.htm . De nombreux logiciels téléchargeables gratuitement permettent le calcul de Et et trace la courbe représentant les variations de Et au cours d'une année. Voici par exemple le résultat obtenu avec le logiciel SHADOWS pour l'année 2015.
II.2 Influence de l'excentricité sur l'équation du temps.
Pour cette étude, nous supposons l'obliquité nulle : les plans de l'équateur et de l'écliptique sont considérés comme confondus. Le repère a pour origine O le centre de l'ellipse décrite par le centre du soleil, l'axe (OX) est orienté du centre de l'ellipse vers l'aphélie. Dans un premier temps, nous allons construire cette ellipse.
II.2.1 Anomalie moyenne, anomalie excentrique, anomalie vraie, équation de Képler.
Attention : dorénavant, en absence de précisions, les mesures d'angles seront exprimées en radians plutôt qu'en degrés.
